Fluidisatie : onderzoek aan de Technische Hogeschool
Eindhoven
Citation for published version (APA):
Technische Hogeschool Eindhoven (THE). Vakgr. Fysische Technologie (1978). Fluidisatie : onderzoek aan de Technische Hogeschool Eindhoven. Technische Hogeschool Eindhoven.
Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1978
Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl
Fluidisatie
Onderzoek aan deTechnische Hogeschool Eindhoven Afdeling der Scheikundige Technologie Vakgroep Fysische Technologie
Inhoud
Inleiding 5
1. Definitie van fluidisatie en fluidisatie begrippen 7
2. Voordelen- Nadelen· Toepassingen 11
3. Problemen bij het ontwerpen en bedrijven van fluidisatie apparatuur 17
4. Fluidisatie onderzoek aan de T.H. Eindhoven 19
5. Onderwijs 30
6. Publicaties 31
Inleiding
Fluidisatie is een moderne procesbewerking tussen een fluïdum (meestal een gas, soms een vloeistof) eneengedispergeerde vaste stof (poeder, katalysator) waarin nagenoeg alle fysische transportverschijn-selen (warmte, stof en impulstransport) een rol spelen. Vele chemische en metallurgische processen worden in een gefluïdiseerd systeem uit-gevoerd.
Hoewel op vele plaatsen reeds veel onderzoek gedaan is en wordt aan het verschijnsel fluidisatie is het toch nog steeds niet mogelijk appara-tuur waarin fluidisatie toegepast wordt voor het uitvoeren van chemische of fysische bewerkingen volledig verantwoord op grote commerciële schaal te ontwerpen. Het gebeurt nog regelmatig dat bij schaalvergroting men voor verrassingen komt te staan, doordat het gefluidiseerde systeem zich anders gedraagt dan men had berekend. Zowel voor de bedrijts~ en ontwerptechnoloog als voor de technisch wetenschappelijk onderzoeker is fluidisatie hierdoor een zeer interes-sant werkterrein waarbij beiden elkaar nodig hebben. De ontwerp en bedrijfstechnoloog voor de inbreng van praktijkproblemen en praktijk-ervaring, de onderzoeker voor de oplossing van genoemde problemen en voor de inbreng van nieuwe inzichten en de consequentie daarvan voor nieuwe ontwerpmethoden.
Sinds 1962 wordt ook aan de TH Eindhoven actief onderzoek verricht op het gebied van fluidisatie door een werkgroep onder leiding van ondergetekende. Deze werkgroep heeft een aanpak van haar onderzoek die duidelijk verschillend is van die van de onderzoekgroepen elders in de wereld. Door het succes en de resultaten van deze aanpak is het inzicht in het mechanisme van fluidisatie aanzienlijk toegenomen en de Eindhovense aanpak vindt dan ook steeds meer internationale erkenning.
De bedoeling van deze brochure is zowel bij de Eindhovense studenten van de Afdelingen T, N en W als bij het bedrijfsleven meer bekendheid te geven aan het onderwijs en het onderzoek dat door de werkgroep fluidisatie wordt verzorgd resp. verricht.
De werkgroepsleider Prof.dr. K. Rieterna
f
t
gepakt bedt
t
hatogeen gefluidiseerd bed 0mf < 0o < 0 bpt
t
heterogeen gefluidiseero bed ubp < uoFiguur t. De ver$Chillende toestanden waarin een poederbed verkeert bij opvoeren van de ·gassnelheid
H
I
l\p
I
u o -Figuur 2. Drokvat Apover het gèfluidiseerde bed en bedhoogte H
als funktie van de superficieele gassnelheid U 0
1.
Definitie van fluidisatie en fluidisatie begrippen
(zie fig. 1)1.1 Fluidisatie is het verschijnsel, waarbij de zwaartekracht werkend op een verzameling vaste-stofdeeltjes wordt gecompenseerd door de mee-sleepkracht veroorzaakt door een opwaartse stroom van een fluïdum zodanig dat de vaste-stofdeeltjes in een min of meer zwevende toe-stand geraken.
1.2 lncipient fluidisatie is die toestand, waarbij de fluïdumsnelheid zo groot is (U0
=
Umf=
incipient fluidisatiesnelheid) dat het evenwicht tussen zwaartekracht en meesleepkracht voor het eerst bereikt wordt. 1.3 Homogene fluidisatieHierbij treedt nadat de fluidisatie-toestand is ingetreden een uniforme expansie op van het bed van vaste-stofdeeltjes. De expansiegraad neemt toe met toenemende snelheid van het fluidiserende fluïdum. In geval van fluidisatie met een vloeistof is dit de normale toestand.
In geval van fluidisatie met behulp van een gas (en hiertoe zullen we ons in het nu volgende beperken) treedt deze homogene expansie niet of nauwelijks op bij grovere deeltjes (dp
>
200p). Bij fijnere deeltjes is er een gebied (Umf<
U0<
Ubp=
bellenpunt snelheid} waarhomogene expansie optreedt, terwijl voor U0
>
Ubp heterogenefluidisatie optreedt. 1.4 Heterogene fluidisatie
Treedt alleen op bij fluidisatie met gas en is daardoor gekenmerkt dat een deel van het toegevoerde gas door het bed stroomt in de vorm van snel opstijgende gasbellen van diverse grootte. De poedermassa rond· om de bellen wordt de dichte fase genoemd. De bellen tezamen: de bellen fase.
1.5 Drukval en bedexpansie (zie fig. 2)
Bij het opvoeren van de gassnelheid zal aanvankelijk de drukval over het bed lineair stijgen met de superficiële gassnelheid. Na het bereiken van de incipient fluidisatiesnelheid echter blijft deze drukval nagenoeg . constant. Bij verder opvoeren van de gassnelheid treedt nu bedexpansie op.
1.6 Spouting (zie fig. 3a)
Een extreme vorm van fluidisatie waarbij de gastoevoer niet uniform verdeeld is over de doorsnede van het bed maar locaal geconcentreerd is waardoor ter plaatse zeer hoge gassnelheden ontstaan en als het ware een gat in het bed geblazen wordt. Wel worden veel vaste-stofdeeltjes
a. "spouting" b. "slugging" c. "channeling•
in de 'spout' meegesleept die later elders weer terl!gzakken zodat een sterke circulatie ontstaat.
1.7 Stugging (zie fig. 3b)
Een andere extreme vorm waarbij de opstijgende gas bellen zo groot geworden zijn dat ze van wand tot wand lopen. De vaste-stofdeeltjes regenen ofwel door de 'stug' ofwel in een dunne laag langs de wand. Bedhoogte varieert met de frequentie, waarmee de slugs het oppervlak bereiken.
1.8 Channelling (zie fig. 3c)
Hierbij is eigenlijk geen sprake meer van fluidisatie. Als gevolg van het sterke aan elkaar 'kleven' van de afzonderlijke poederdeeltjes zoekt hetgas een aantal voorkeurskanalen terwijl buiten deze kanalen de gas· stroom nog maar zeer gering is. De drukval is veel lager dan overeen-komt met het gewicht van het bed per oppervlakte-eenheid dwarsdoor· snede.
Stroomlijnen van poederdeeltjes rondom opstijgende gasbel I \ I \ I \ I \ I I I \ I i4 ;
~
\ I \ \ I I Stroomlijnen van het gas door en om opstijgende gasbel (zoals gezien door een met de bel meebewegendewaarnemer)
lucht
- - lucht olie
katalysator
stripper
Figuur 5. Schema Cat. Cracker
reaktor
-~-M• naar
2.3.2 2.3.2.1
2.3.2.2
met een aanzienlijk warmte-effect.
Uiteraard kan de reactie niet te langzaam zijn vanwege de toch betrek-kelijk korte contacttijden. Anderzijds kunnen erg snelle reacties beter uitgevoerd worden in reactoren van andere type (o.a. riserreactor). Voorbeelden van chemische reacties die in een gefluïdiseerd bed worden uitgevoerd, zijn:
a. Katalytisch kraken van zware aardolie fracties tot lichtere produc· ten. De katalysator (silica-alumina deeltjes, Si02/A1203) moet hier-bij regelmatig geregenereerd worden door het afbranden van de afgezette koolstof hetgeen eveneens in een fluid bed reactor de zgn. regenerator geschiedt (zie fig. 5).
b. Produktie van vinylchloride door oxidatie van ethyleen met als katalysator 5% CuCI2 op AI203. Aangezien dit een sterk exother· me reactie is moet veel aandacht worden besteed aan de warmte afvoer middels ingebouwde warmtewisselaars.
c. Produktie van melamine uit ureum met silicagel als katalysator. d. Oxidatie van HCI vrijkomend van diverse chlorerings processen
-tot Cl2.
e. Oxidatie van o-xyleen tot phtaalzuur- anhydride· op Titaan en Vanadium katalysator.
f. Roosten van sulfidische ertsen waarbij zwavel in de vorm van S02 verwijderd wordt.
g. Adsorptie van S02 aan kalk (dolomiet, mergel etc.).
h. Verbranding of pyrolyse van laagwaardige brandstoffen (afval) voor energie opwekking.
i. Steenkool vergassing. Fysische processen
Drogen van natte poeders kan met voordeel in een gefluïdiseerd bed uitgevoerd in het bijzonder indien als gevolg van diffusielimitering de droogtijd van afzonderlijke deeltjes nogal lang uitvalt. Het doorstro-mende gas (meestal lucht) kan het vocht opnemen en voor warmtetoe-voer zorgen. Extra warmte kan via de wand of warmtespiralen toege-voerd worden.
Coaten van voorwerpen met een thermoplastisch polymeer of lak. Hierbij wordt de koude lak of polymeer in de vorm van een poeder gefluïdiseerd.
De te coaten voorwerpen worden voorverwarmd en vervolgens gedurende korte tijd in het gefluidiseerde bed onder gedompeld.
gas uit
I
voeding ...
~
produkt /
gas
2.3.2.3
2.3.2.4
Invangen van bij vergassing gevormde vliegas. Door het met vliegas beladen gas te leiden door een gefluïdiseerd bed van fijne deeltjes wordt het vliegas door adsorptie aan deze deeltjes gebonden. Kan zo-nodig als meer-traps proces uitgevoerd worden (zie fig. 6).
Granuleren, sublimatie en desublimatie, bevriezen zijn andere toepas-singen van het gefluidiseerde bed.
i .
Figuur 1. "Overall" circulatie van de vaste stof in een zgn. "free bubbling" bed
3. Problemen bij het ontwerpen en bedrijven van fluidisatie apparatuur
Hoewel voor de verschillende toepassingen op laboratoriumschaal een redelijke optimalisatie uitgevoerd kan worden, blijkt dat bij vergroting tot commerciële apparatuur nogal eens grote problemen optreden. Ook met stapsgewijs vergroten komt het regelmatig voor dat de laatste vergratingsstap tot teleurstellingen leidt en niet het verwachte proces-verloop geeft.
Deze vergratingsproblemen zijn veelal terug te voeren tot onbekend-heid met de volgende factoren.
3.1 Expansiegraad van de dichte fase. Dat expansie van de dichte fase optreedt was tot voor kort nog niet algemeen bekend, althans door veel onderzoekers werd dit verschijnsel verwaarloosd. Deze expansie heeft grote invloed op de stofoverdracht en de optredende chemische reacties. Bij schaalvergroting blijkt veelal deze expéjnsie af te nemen door tot op heden niet duidelijke oorzaken, die echter vermoedelijk wel te maken hebben met de hierna te noemen punten 3.2 en 3.3. 3.2 Ruimtelijke verdeling, alsmede grootteverdeling van de opstijgende
bellen.
Tijdens het opstijgen groeien de bellen aan in grootte door coalescen-tie en door extraccoalescen-tie van gas uit de omringende dichte fase.
Naarmate de bellen groter worden wordt de kans dat ze weer opsplit-sen in kleinere bellen ook groter zodat tenslotte een evenwicht wordt bereikt. Dit evenwicht hangt Wèer samen met de expansiegraad van de dichte fase. Indien deze laag is kunnen zeer grote bellen ontstaan. 3.3 'Overall' circulatie van de vaste stof (zie fig. 7). Deze gaat gepaard met
het naar binnen trekken van de opstijgende bellen zodat een zgn. bellenstraat ontstaat waarin veel vaste stof mee omhoog gesleurd wordt die langs de wanden van het apparaat weer terug zakt. Aangezien men nog niet beschikt over een duidelijke reologie van gefluidiseerde systemen waarmee gerekend kan worden is het tot op heden praktisch onmogelijk de sterkte van deze overall circulatie enigszins te voorspellen.
3.4 Stofoverdracht van de opstijgende bellen naar de omringende dichte fase.
Hoewel hier wel veel theorieën over bestaan is de overeenstemming met meetresultaten nog zeer gering. De hoogte van een stofoverdrachts-trap blijkt sterk af te hangen van de procescondities en de schaalgrootte.
3.5 Warmteoverdracht. Deze is weliswaar goed maar doordat het specifiek warmteoverdragend oppervlak afneemt bij schaalvergroting treden hier nogal eens problemen op. Dit houdt mede verband met onbekend· heid van de punten 3.1 en 3.3.
3.6 Invloed van de bodemplaat. In kleine fluidisatie apparatuur blijkt dat het fluidisatiegedrag sterk afhankelijk is van de bodemplaat constructie en dat alleen optimale resultaten bereikt worden bij bodemplaten die gemaakt zijn van uniform poreus materiaal van voldoende stromings· weerstand zodat een uniforme gasverdeling verzekerd is. In de praktijk echter zijn dergelijke bodemplaten onbruikbaar vanwege verstopping en geringe sterkte. Men neemt dan zijn toevlucht tot geperforeerde platen, klokkenschotels en derg. Wat het effect van een minder ideale bodemplaat is bij toenemende bedhoogte is een nog nauwelijks onder· zocht terrein.
4.
Fluidisatie onderzoek aan de T.H. Eindhoven
In de vakgroep Fysische Technologie van de Afdeling voor Scheikun-dige Technologie is een kleine werkgroep werkzaam die zich bezig-houdt met het onderzoek aan fluidisatie. Deze groep bestaat uit een docent (prof.dr. K. Rietema), een wetenschappelijk medewerker in vaste dienst (dr.ir. A. H.M. Verkooyen), een wetenschappelijk mede-werkster in tijdelijke dienst (drs. G. Schenk) een onderzoekassistent (de heer J. Boonstra) en een variërend aantal afstudeerders en stagiaires.
Vroegere leden van de werkgroep waren:
dr.ir. A.A.H. Drinkenburg (gepromoveerd in 1970) J.L.A. Kooien M.I.Ch.E. (DowChemical, sinds 1970)
A.D. Oltrogge Ms.C.Ph.D. (gepromoveerd in 1972) dr.ir. J.H.B.J. Hoebink (gepromoveerd in 1977) dr.ir. S.M.P. Mutsers (gepromoveerd in "1977)
De werkgroep houdt zich bezig zowel met fundamenteel onderzoek als met toegepast onderzoek. Het onderzoek is daartoe ingedeeld in projecten onder leiding van één of meer coaches. Zowel stagiaires als afstudeerders kunnen bij deze projecten ingeschakeld worden voor hun stage- resp. afstudeeronderzoek. Zowel studenten uit de Afdeling T als uit de Afdelingen N en W zijn daartoe welkom in de werkgroep. Sinds 1962 zijn reeds 41 ingenieurs binnen de werkgroep fluidisatie afgestudeerd waarvan 8 met lof.
4.1 Fundamenteel onderzoek
Hierbij wordt ervan uitgegaan dat alle onder 3 genoemde problemen uiteindelijk terug te voeren zijn tot onbekendheid met het gedrag, de structuur en de reologische eigenschappen van de dichte fase en hoe deze eigenschappen afhangen van de aard en de korrelgrootte-verde-ling van de vaste stof.
Tijdens dit onderzoek is reeds gebleken dat deze eigenschappen van de dichte fase niet alleen bepaald worden door de aard van de vaste stof, maar eveneens door eigenschappen (met name de dynamische viscosi-teit) van het fluidisatiegas, terwijl vermoedelijk eveneens de wissel-werking gas-vaste stof (via adsorptie) een belangrijke rol speelt. In vroeger onderzoek (Oitrogge, Mutsers) is gevonden dat de dichte fase bij homogene expansie een mechanische structuur van een bepaal-de (hoewel geringe) sterkte bezit en dientengevolge ook een bepaalbepaal-de elasticiteit. Deze elasticiteit is de oorzaak van de optredende stabilisa-tie van de homogene dichte fase. Hoewel dit nog niet bewezen is,
wordt verondersteld dat ook tijdens heterogene fluidisatie de dichte fase een dergelijke structuur bezit.
Deze elasticiteit hangt af van de aard van de vaste stof en van de deeltjesgrootte-verdeling echter niet van de gemiddelde deeltjesgrootte, wel weer van de porositeit van de dichte fase. Aangezien de verstorende (disruptieve) krachten het gevolg zijn van de gasstroming en toenemen met de gassnelheid valt in te zien dat de stabiliteit van de dichte fase eerder verbroken wordt bij grotere deeltjesdiameter en bij grotere porositeit.
De elasticiteit is vermoedelijk terug te brengen tot de tussen de afzonderlijke deeltjes optredende cohesiekrachten en zal eveneens vermoedelijk positief beihvloed worden door adsorptie van gassen aan de deeltjes (bij sterk adsorberende gassen zoals koolwaterstoffen en bij hogere drukken). Ook de temperatuur zal invloed hebben op de cohesie en daarmee op de elasticiteit.
Momenteel is een nieuw onderzoek gestart naar de reologie van geëxpandeerde poeders. Gezocht wordt deze te karakteriseren met 3 grootheden te weten een yield value, een slipsnelheid langs vaste wanden alsmede een schijnbare viscositeit. Verondersteld wordt dat deze !:r.hijnbare viscositeit 'Jl' een relatie heeft met de elasticiteits· coëfficiënt. E volgens
waarin
dp = gemiddelde deeltjesgrootte Ud = dichte-fase gassnelheid
n = een dimensieloos getal tussen 1 en 10 dat nog van het' poeder-systeem af zou kunnen hangen.
De volgende projecten vallen onder het hoofd fundamenteel onder· zoek.
F. 1 Onderzoek naar invloed van temperatuur en druk op het fluidisatiegedrag van fijne poeders
Toelichting
Figuur9.
Trillichaam voor onderzoek naar elasticiteit van gefluidiseerde systemen
invloed van hydrodynamische factoren, en poedereigenschappen zoals cohesie en frictie op het fluidisatiegedrag kan de druk geen directe invloed hebben en de temperatuur alleen door de temperatuursafhan-kelijkheid van de viscositeit van het fluidisatiegas. Er zijn echter wel degelijk drukinvloeden gevonden bij sommige poeders, bij andere poeders niet. Verondersteld wordt nu dat de reeds eerder genoemde elasticiteit die verband houdt met de tussen de deeltjes optredende cohesie beïnvloed wordt door de druk doordat sommige gassen onder invloed van de druk geadsorbeerd worden aan sommige poeders waar-door de cohesie van deze poeders toeneemt en daarwaar-door eveneens de elasticiteit toeneemt. Teneinde hiervan een bevestiging te vinden zal de adsorptie en de cohesie als functie van de druk worden gemeten voor diverse poeder-gas systemen om deze resultaten vervolgens te correleren met metingen aan het fluidisatiegedrag. (zie fig. 8) Coaches: Verkooyen, Rieterna
F.2 Onderzoek naar elasticiteit van gefluidiseerde systemen en de afhankelijkheid van poedereigenschappen
Toelichting
Met behulp van een electrisch aangedreven trillingssysteem dat in het gefluidiseerde bed gedompeld wordt kan de elasticiteit van de dichte fase gemeten wordt. Hiertoe wordt m.b.v. een kruiscorrelator het faseverschil tussen electrische wisselspanning en wisselstroom als functie van de frequentie gemeten. Het is de bedoeling m.b.v. deze apparatuur voor verschillende poeders de invloed van de aard van het poeder, van de deeltjesgrootte verdeling en van eigenschappen van het fluidisatiegas op deze elasticiteit na te gaan. (zie fig. 9)
Coaches: Verkooyen, Rieterna
F.3 Onderzoek naar het verband tussen afschuifspanning en afschuif-snelheid in een gefluidiseerd poeder
Met een soortgelijk trilsysteem als in gebruik bij het onderzoek F.2 (maar nu werkend met lagere frequentie en grotere amplitude) wordt getracht het verband tussen afschuifsnelheid en afschuifspanning te meten. De resultaten worden vergeleken met die gemeten met behulp van een eenvoudige rotatieviscosimeter. (zie fig. 10)
Figuur 11. Grote zandloper
F.4 Onderzoek naar de weerstandskracht uitgeoefend op een voor-werp dat in een gefluïdiseerd bed opgetrokken wordt
In feite zijn hiervoor twee opstellingen beschikbaar:
1. opstelling waarbij het gefluidiseerde bed in rust verkeerd en het voorwerp opgetrokken wordt. De weerstandskracht wordt gemeten met behulp van een rekstrookje als functie van de snelheid.
2. opstelling waarbij het gefluidiseerde bed naar beneden stroomt ('falling fluidised bed') rondom een obstakel dat in rust verkeerd. Het obstakel bestaat uit een holle cylinder die coaxiaal maar flexi-bel bevestigd is om een massieve cylinder met kleinere diameter. Bij toenemende meesleepkracht verandert de capaciteit tussen beide cylinders.
Coaches: Schenk, Rieterna
F.5 Onderzoek naar het sne/heidsprofiel optredend in een zgn. 'standpipe' bij diverse strominuscondities (zie fig. 11)
Momenteel is deze opstelt ing nog in opbouw en wordt de meetmetho· de voorbereid. De opstelling zal bestaan uit 2 gefluidiseerde vaten boven elkaar en verbonden met een buis van 2 m lang en 6 cm inwen-dige diameter (de zgn. 'standpipe').
Door regeling van het drukverschil over de standpipa en 2 multi· vlinderkleppen worden de stromingscondities in de standpipa inge-steld. Voor de meting van het snelheidsprotiel wordt samengewerkt met de vakgroep Instrumentele Analyse (dr.ir. J.J.M. de Goey) van de AfdelingTen de Vakgroep Deeltjesfysica (prof.dr.ir. H.L. Hagedoorn, drs. W.A. Bruil) van de Afdeling N. De meetmethode zal in principe berusten op het meten van de snelheid van poederdeeltjes met behulp van radioactiviteit. Een aantal poederdeeltjes worden daartoe radioactief gemaakt. Deze poederdeeltjes zullen at-random de meetzone passeren. Gemeten wordt hun snelheid alsmede de s.traal in de standpipa waarop ze passeren.
Coaches: Schenk, Bruil, Verkooyen
F.6 Stofoverdracht van opstijgende gasbellen naar de dichte fase in een zgn. 'free bubbling bed'
De stofoverdracht wordt gemeten met behulp van een tracergas dat als puls onder de bodemplaat geïnjecteerd wordt. Uit het verloop van de
verblijftijdsspreiding van het tracergas in het bed kan de overdracht van de bellen naar het bed berekend worden. Onderzocht worden in-vloed van poedereigenschappen en van de druk van het fluidisatiegas (zie verband met project F .1}.
Coaches: Boonstra, Riatema
4.2 Toegepast onderzoek
T.1 Drogen van silicagel met kleine korreldiameter (<200/J.) in een gefluïdiseerd bed
Toelichting
Dit is een reeds lang lopend onderzoek waarop kort geleden de heer Hoebink gepromoveerd is. Hoebink heeft uitsluitend met grovere silicagel gewerkt. Uit de door hem ontwikkelde theorie echter volgt dat bij fijnere silicagel een grotere invloed van de in het gefluidiseerde bed opstijgende gasbellen verwacht moet worden. De bedoeling is deze theorie te verifiëren. Benodigde apparatuur is reeds aanwezig.
Coach: Verkooyen
T2 Upscaling van een gefluïdiseerd bed, i.h.b. het nagaan van de invloed van bodemplaatconstructies en bedhoogten op het fluidisatie-gedrag Toelichting
Het is bekend dat het gewenst is dat de bodemplaat die voor de gas· verdeling moet zorgen aan hoge eisen voldoet indien de bedhoogte betrekkelijk gering is, wil een goede en regelmatige fluidisatie optreden. Het is echter nog nooit goed onderzocht of bij grotere bedhoogten (2-4 meter) het nadelig effect van een slechte bodemplaatconstructie niet verdwijnt.
De bedoeling is dit te onderzoeken aan de hand van bedexpansie, bellen-hold-up en warmteoverdracht. Een gefluïdiseerd bed met een diameter van 70 cm en een totale hoogte van 6 meter staat beschikbaar voor dit onderzoek. (zie fig. 12)
Coach: Verkooyen
Voorts zijn een aantal afstudeeronderzoeken beschikbaar die verband houden met het gebruik van steenkool als energiebron:
T.3 Verbranding in een gefluidiseerd bed Warmteoverdracht
a. aan horizontale en vertikale pijpenbundeL
invloed van de geometrie van de warmtewisselaar op de bedexpansie. b. het verloop van de warmteoverdrachtscoefficiënt als functie van de
hoogte aan de wand waarnaar het warmtetransport plaats vindt. S02 adsorptie in een mergelbed
Bij de verbranding van steenkool komt S02 in de rookgassen voor. Door deze gassen te leiden door een gefluïdiseerd bed van gepoederd mergel, kunnen deze gassen van S02 gereinigd worden.
Invangen van vliegas
Rookgassen bevatten een vrij hoge concentratie aàn vliegas, welke weer een aanzienlijke concentratie aan zware metalen bevatten. Het blijkt mogelijk de vliegas deeltjes in te vangen in een gefluïdiseerd bed.
Coaches: Verkooyen, Rieterna
5. Onderwijs
Door de werkgroep fluidisatie worden twee colleges verzorgd één in het voorjaarssemester en één in het najaarssemester.
5.1 Fluidisatie en haar toepassingen
Na een korte inleiding over het mechanisme van fluidisatie zullen verschillende modellen besproken worden met behulp waarvim de conversie kan worden berekend. In de I iteratuu r zijn een tiental van dergelijke modellen bekend, die allen min of meer van elkaar verschil-len. Deze modellen zullen kritisch met elkaar vergeleken worden. De tweede helft van het college zal als werkcollege worden gegeven. De deelnemende studenten zullen in dit gedeelte een opdracht krijgen om een chemisch proces waarvan bekend is dat het in een gefluïdiseerd bed wordt uitgevoerd te onderzoeken met behulp van literatuur gegevens en hierover één of twee voordrachten te houden waarna een discussie volgt. Bij goede uitvoering van deze opdracht vervalt het tentamen. Getracht zal worden gezamenlijk een bezoek te brengen aan een industrie alwaar voor één van deze processen een plant in bedrijf is.
Voorjaarssemester 2 uur/week.
5.2 Het mechanisme van fluidisatie
In dit college wordt dieper ingegaan op het mechanisme van fluidisatie. Uitgaande van de bewegingsvergelijkingen voor een twee-fasen-systeem wordt met behulp van een stabiliteitsanalyse het criterium vastgesteld voor homogene fluidisatie. Voorts worden besproken theorieën over het optredende bellenmechanisme alsmede theorieën over warmteover-dracht, stofoverdracht enz.
6.
Publicaties
1. Drinkenburg A.A.H., Huige N.J.J., Rieterna K. 'Heat transfer in a gas-fluidised bed'
Proc. Int. Heat Transfer Conference AIChE, Chicago, (1966) 2. Drinkenburg A. A. H.
'Heat transfer and solid movement in a gas-fluidised bed' Proc. Int. Symp. on Fluidisation, Eindhoven, (1967), 468
3. Rieterna K.
'I ntroductory report to the session on bubbles'
Proc. Int. Symp. on Fluidisation, Eindhoven, (1967), 201 4. Rieterna K.
'Application of mechanica! stress theory to fluidisation' Proc. Int. Symp. on Fluidisation, Eindhoven, (1967), 164 5. Rieterna K.
'A criterion for bubbling in particulate fluidisation' Proc. Int. Symp. on Fluidisation, Eindhoven, (1967), 176 6. Rieterna K. and Ditrogge R.D.
'On the total gas flow balance in a freely bubbling fluidised bed' Symposium on Fundamental and Applied Fluidisation, Tampa,
Florida, ( 1968)
7. Drinkenburg A.A.H., Rieterna K. and Kooien J.L.A. 'Gas transfer from bobbles to dense phase'
Proc. Chisa Conf., Marianske Lasne, ( 1969) 8. Drinkenburg A. A. H.
'Gas transfer in a fluidised bed' Proefschrift THE (1970)
9. Drinkenburg A. A. H. and Rieterna K.
'Gas transfer from bubbles in a fluidised bed to the dense phase. - Theory'
Chem. Eng. Sc i. 27 ( 1972), 1765 10. Drinkenburg A.A.H. and Rieterna K.
'Gas transfer trom bobbles in a fluidised bed to the dense phase. · Experiments'
11. Ditrogge R. D.
'Gas fluidised bedsof fine partides' Ph. D. Thesis, Univ. of Michigan, (1972)
12. Rieterna K.
'The effect of interpartiele torces on the expansion of a homo-geneaus gas-fluidised bed'
Chem. Eng. Sci. 28 (1973), 1493
13. Rieterna J., Mutsers S.M.P.
'The effect of interpartiele torces on the expansion of ahorno-geneaus gas-fluidised bed'
Proc. Int. Symp. 'Fiuidisation and its Applications', Toulouse, (1973), 28
14. Rieterna K., Hoebink J.H.B.J.
'Fiuidised bed drying'
Proc. Int. Symp. 'Fiuidisation and its Applications', Toulouse, (1973), 319
15. Rieterna K. and Mutsers S.M.P.
'On the elasticity of gas-fluidised systems'
Proc. Int. Fluid. Conf., Pacific Grove, California, (1975), 53
16. Rieterna K. and Hoebink J. H. S.J.
'Mass transfer from single rising bubbles to the dense phase in three dimensional fluidised beds'
Proc. Int. Fluid. Conf., Pacific Grove, California, (1975), 279
17. Rieterna K. and Hoebink J.H.B.J.
'The transient period in fluidised beds during transfer from one to another fluidising gas'
Proc. Int. Fluid. Conf., Pacific Grove, California, (1975), 289
18. Hoebink J.H.B.J.
'Drying granular solids in a fluidised bed' Proefschrift THE (1977)
19. Rieterna K.
'A critica! review of the theory of potential flow of solids around rising bubbles'
Europaan Congress 'Transfer Processes in Partiele Systems', Nuremberg, ( 1977), E 12
20. Hoebink J.H.B.J. and Rietema K.
'Mass transfer between single bubbles and the dense phase in gas-sol id fluidisation'
European Congress 'Transfer Processes in Partiele Systems', Nuremberg, (1977)~ K51
21. Mutsers S.M.P., Rieterna K.
'The effect of interpartiele farces on the expansion of a homo-geneaus gas-fluidised bed'
Powder Technology, 18 (1977) 239 22. Mutsers S. M.P., Rieterna K.
IGas-solids fluidisation in a centrifugal field. The effect of gravity upon bed expansionl
Powder Technology, 18 (1977), 249 23. Rietema K., Hoebink J.H.B.J.
'Transient phenomena in fluidised beds when switching the fluidising agent from one gas to another'
Powder Technology I 18 ( 1977) 1 257 24. Mutsers S.M.P.
'The effect of interpartiele torces on the behaviour of gas-fluidised beds of fine particles'
Proefschrift THE ( 1977) 25. Rietema K. and Mutsers S.M.P.
'The effect of gravity upon the stability of a homogeneously fluidised bed, investigated in a centrifugal field'
Proc. Sec. Eng. Found. Conf. on Fluidisation, Cambridge, (1978}, 81
26. Hoebink J.H.B.J. and Rietema K.
'Wall-to-bed heat transfer in a fluidised bed'
Proc. Sec. Eng. Found. Conf. on Fluidisation, Cambridge, (1978}, 327
7. Appendix. Onderzoek voor derden
Gestandariseerd onderzoekprogramma ter karakterisering van het f/uidisatiegedrag van poeders
Teneinde onze kennis over fluidisatie van poeders ook beschikbaar te maken voor instanties buiten de T.H. hebben wij een aantal metinqen en onderzoeken ondergebracht in een wat wij noemen gestandariseerd onderzoekprogramma. Aan de hand van de resultaten van dit onder· zoekprogramma kan het fluidisatie gedrag van poeders met een zekere voorzichtigheid voorspeld worden voor niet al te sterke schaalvergroting. Ook kan er wel iets voorspeld worden over problemen die bij schaal-vergroting zouden kunnen ontstaan en aan welke problemen dan verder onderzoek noodzakelijk is.
Het standaardprogramma omvat de volgende metingen en onderzoe-ken:
1. Meting van bulkdichtheid na fluïdiseren en na intrillen. 2. Meting van de totale porositeit en eventueel van de inwendige
porositeit. Vaststelling van de deeltjesdichtheid en eventueel van de skeletdichtheid.
3. Meting van de korrelverdeling m.b.v. zeven, sedimentatiebalans en Coulter Counter.
4. Meting van 'de cohesie en de inwendige hoek van wrijving. 5. Fotografie m.b.v. 'scanning electron microscope'.
6. Bestudering van het fluidisatiegedrag in een zgn. twee dimensionaal bed. (zie foto pag. 4)
Gemeten worden:
bedexpansie als functie van gassnelheid bellenpunt
drukval
storende nevenverschijnselen zoals channelling stijgsnelheid en vorm van gasbellen.
7. Meting van warmteoverdracht in een standaard 3-dimensionaal fluid bed:
a. aan dompelelementen b. aan wandelement.
8. Stromingsgedrag uit een kleine bunker.
De resultaten worden samen met conclusies en aanbevelingen samen-gevat in een rapport.
Vastgestelde vergoeding f 6000,- per onderzocht poeder. Voor nadere informatie wende men zich tot:
Vakgroep Fysische Technologie Werkgroep Fluidisatie FT-hal T.H. Eindhoven Postbus 513 5600 MB Eindhoven
